年产10万吨啤酒厂糖化车间煮沸锅的设计

1、 生物工程工厂设计概论课程设计题 目 年产10万吨啤酒厂糖化车间煮沸锅设计专 业 生物工程 班 级 姓 名 学 号 目 录目 录- 2 -第一章 绪 论- 4 -第二章 工艺计算- 5 -2.1 物料平衡计算- 5 -2.1.1啤酒生产的物料衡算- 5 -2.1.2工艺技术指标及基础数据- 5 -2.1.3糖化物料计算- 6 -2.2 热量衡算- 8 -2.2.1 糖化用水耗热量q1- 8 -2.2.2 第一次米醪煮沸耗热量q2- 9 -2.2.3 第二次煮沸前混合醪升温到70的耗热量q3- 10 -2.2.4 第二次煮沸混合醪的耗热量q4- 11 -2.2.5 洗糟水耗热量q5- 11 -2

2、.2.6 麦汁煮沸过程耗热量q6- 11 -2.2.7 糖化一次总耗热量q总- 12 -2.2.8 糖化一次耗用蒸汽量d- 12 -2.2.9 糖化过程每小时最大蒸汽量qmax- 12 -2.2.10 蒸汽单耗- 13 -2.3 耗水量的计算- 13 -2.3.1 糖化用水- 13 -2.3.2 洗糟用水量- 13 -2.3.3 糖化室洗刷用水量- 13 -2.3.4 沉淀槽冷却用水量- 14 -2.3.5沉淀糟洗刷用水- 14 -2.3.6 麦汁冷却器冷却用水- 14 -2.3.7 麦汁冷却器冲刷用水- 14 -2.3.8 酵母洗涤用水(无菌水)- 14 -2.3.9 发酵室洗刷用水- 14

3、 -2.3.10 贮酒室洗刷用水- 15 -2.3.11 清酒罐洗刷用水- 15 -2.3.12 过滤机用水- 15 -2.3.13 洗瓶机用水- 15 -2.3.14 装酒机用水- 15 -2.3.15 杀菌机用水- 15 -2.3.16其它用水- 15 -第三章 重点设备的设计选型- 15 -3.1 容积- 16 -3.2 尺寸- 16 -3.3 排气管：排气管的截面积与锅底面积- 16 -3.4 麦汁进口管 d- 16 -3.5 蒸气进口管- 17 -3.6 冷凝管出口管计算- 17 -3.7 排料管管径计算- 17 -3.8 进水管管径计算- 18 -3.9 筒体部分计算- 18 -3

4、.9.1 锅体材料选择- 18 -3.9.2 锅体壁厚的计算- 18 -3.9.3 锅底厚度- 19 -3.9.4 夹套壁厚- 20 -3.9.5 锅体重量计算- 20 -3.10 电动机功率计算- 20 -3.11 煮沸锅加热面积的计算- 22 -第四章 煮沸锅附属设备- 22 -4. 1 电动机- 22 -4. 2 减速器- 23 -4. 3 联轴器- 23 -4. 4 人孔- 23 - 第一章 绪 论 啤酒是以麦芽为主要原料，添加酒花，经酵母发酵酿制而成的，是一种含二氧化碳、起泡、低酒精度的饮料酒。由于其含醇量低，清凉爽口，深受世界各国的喜爱，成为世界性的饮料酒。我国近代啤酒是从欧洲传入

5、的，据考证在1900年俄罗斯技师在哈尔滨建立了第一家啤酒作坊。第一家现代化啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂。1915年在北京由中国人出资建立了双合盛啤酒厂。从1905年到1949年的40多年中，中国只有在青岛、北京、哈尔滨、上海、烟台、广州等地建立了不到10年工厂，年产啤酒近一万吨，从1949年到1993年，我们用43年的时间，发展成为世界啤酒第二生产大国，这样的发展速度举世瞩目。中国啤酒行业向集团化、规模化，啤酒企业向现代化、信息化迈进；除产品制造外，品牌和资本越来越显现其重要性；外资对中国啤酒行业的影响已经向纵深发展，表现出积极的作用，使中国啤酒业加快和国际接轨的步伐。

6、2012年至2015年，啤酒行业面临着较好的发展际遇：国民经济持续快速发展和城市化水平的提高，给行业发展创造了巨大的需求空间；西部大开发、振兴东北地区等老工业基地、促进中部崛起和建设社会主义新农村等重大发展战略，为啤酒行业创造了新的发展机遇；全球经济和区域经济一体化进程的加快，为中国啤酒行业在更大范围内配置资源、开拓市场创造了条件。未来啤酒市场的发展前景依然看好。国内油价下调提高行业盈利空间；2008年11月国家提出的四万亿拉动内需计划及扩大内需十条政策将对啤酒行业产生有利影响，等等利好因素成为拉动啤酒市场发展的强劲动力。随着世界的发展，啤酒的生产技术逐步成为重点。当今，纯生啤酒的生产技术，膜

7、过滤技术，微生物检测和控制技术，糖浆辅料的使用逐步发展起来。相信不久的将来，中国的啤酒业将以崭新的面貌跻身于世界啤酒先进领域。 第二章 工艺计算2.1 物料平衡计算2.1.1啤酒生产的物料衡算图2-1 糖化车间工艺流程示意图2.1.2工艺技术指标及基础数据表2-1 工艺技术指标及基础数据项 目名 称百分比（%）项 目名 称百分比（%）定额指标无水麦芽浸出率75原料配比麦 芽70大 米30无水大米浸出率95啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失5发酵损失1.5原料利用率98.5过滤损失1麦芽水分5装瓶损失1大米水分11总 损 失8.52.1.3糖化物料计算1.100kg混合原料中含浸出物的重量（e） 麦

8、芽：gm=m(1-wm)em=70(1-5%)75%=49.88kg 大米：gn=n(1-wn)en=30(1-11%)95%=25.37kg 其中：m为100kg混合原料中麦芽的质量;n为100kg混合原料中大米的质量 wm为麦芽的含水量:em为麦芽的污水浸出率;en为大米的污水浸出率 则e=gm+gn=49.88+25.37=75.25kg 混合原料的收得率=75.2598.5%100=74.11% 其中：98.5%为原料的利用率 100kg原料产12度热麦汁量为:74.1110012=617.6kg 12度麦汁在20时的相对密度为1.084 100麦汁比20麦汁体积增加1.04倍 热麦汁

9、体积=617.61.041.084=592.5l 冷麦汁量=592.5(1-0.05)=562.9l 发酵液量=562.9(1-0.015)=554.5l 滤过酒量=554.5(1-0.01)=5488.9l 成品酒量=717.8(1-0.01)=540.7l 酒花耗用量：（592.5540.7）0.2%100=0.219kg2.生产100l12度淡色啤酒的物料计算 100kg原料生产成品酒710.6l 生产100l10度啤酒需用混合原料为100(100540.7)=18.49kg 麦芽耗用量=18.4970%=12.95kg 大米耗用量=18.49-12.95=5.54kg 酒花耗用量 59

10、2.5540.71000.2%=0.29 kg 热麦汁量=100592.5540.7=109.6l 冷麦汁量=100562.9540.7=104.1l 成品酒量=100l3.年产10万吨12度淡色啤酒的物料计算 每年生产300天，旺季170天，每天糖化6次，占生产任务的70%。12度淡色啤酒的密度为1.084kg/l 旺季产量：10000070%170=411.76（吨/ 天） 设每年旺季糖化次数为6次，则总糖化次数为1020次 成品啤酒量=411.766=68.62（吨/天） 麦芽耗量=4456.170%=3119.3kg 成品啤酒（罐装前）68.621000（1-1.5%）1.084=64

11、266l 湿酒花糟 321331000.657=4200kg 热麦汁量=32133540.7592.5=7022l 冷麦汁量=32133562.9540.7=669.04l 发酵液量=32133540.7554.5=65906l 滤过酒量=32133540.7548.9=65240l 成品酒量=63342.4l 计算方法同上，这里不再重述。表2-2啤酒厂车间物料衡算表物料名称单位对100kg混合原料100l 10度淡色啤酒糖化一次定额量10万吨每年啤酒生产混合原料kg10018.49594317.32106大麦kg7012.95416012.2106大米kg305.547835.2106酒花k

12、g1.540.21970.052.04105热麦汁l592.5109.63521110.26107冷麦汁l562.9104.1334529.74107发酵液l554.5102.55329539.6107过滤酒l548.9101.52326209.5107成品啤酒l5407100.00321339.36107共生产啤酒：10.2107/1.012=100790吨(备注：10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3)2.2 热量衡算糊化锅大米：2640kg麦芽：528kg50、20min糖化锅麦芽粉：5632kg35、30min自来水，20回旋沉淀槽煮沸 30min料水比 1：4.5热水 5070、2

13、0min煮沸锅t（）55、50min68、60min78、10min糖化结束过滤麦汁酒花麦糟薄板冷却器酒花槽热凝固物冷凝固物15min去发酵冷麦汁15min冷却15min料水比 1：3.515min 图2-2 二次煮出糖化法糖化工艺流程图2.2.1 糖化用水耗热量q1根据工艺，糊化锅加水量为:g1（1783+356.6）4.59628.2kg式中：1336.8kg为糖化一次的大米粉量，267.36kg为糊化锅中加入的麦芽粉量(大米的20) 而糖化锅中的加水量为：g23803.43.513311.9kg式中：2845.9kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽量，即：4016356.63803.4kg综上

14、所述，糖化总用水量为：gwg1g29628.21311.9= 22940.1kg 自来水平均温度取t18，而糖化配料用水温度t50， 比热容 cw 4.18kj/kg.k故耗热量q1gwcw(tt)22940.14.18(5018)3068468kj2.2.2 第一次米醪煮沸耗热量q21.糊化锅内米醪由初温t0加热至100，耗热量:q2g米醪.c米醪(100t0) (1)计算米醪的比热容：c米醪 由经验公式 c谷物0.01（100w）c04.18w 进行计算，式中w为含水百分率，c0为绝对谷物比热容，去c01.55 kj/kg.k c麦芽0.01(1005) 1.554.1851.682 kj

15、/kg.k c大米0.01(10011) 1.554.18111.84 kj/kg.k c米醪(g大米c大米g麦芽c麦芽g1cw)/(g大米g麦芽g1) (17831.84356.61.689628.24.18) （1783356.69628.2） 3.75kj/kg.k (2)米醪的初温t0 设原料初温为18，而热水为50， 则g米醪g大米g麦芽g1 1783356.69628.211767.8kg t0(g大米c大米g麦芽c麦芽)18g1cw50/g米醪c米醪 (17831.84356.61.68)189628.84.185011767 3.7547.2 (3) 代入式 q2g米醪c米醪（

16、100t0）11767.83.79（10047.2） 2330024.4kj2.煮沸过程蒸汽带出的热量q2 煮沸时间40min，蒸发量为每小时5，则蒸发水份量 v1g米醪5406011767.8540/60392.26kg 故，q2v1i392.262257.2885409.3 kj 式中，i为煮沸温度约100下水的汽化潜热（kj/kg）3.热损失q2 米醪升温和第一次煮沸过程的热损失为前两次耗热量的15，即：q215（q2q2）4.综上可得q21.15（q2q2）1.15（2330024.4885409.3） 3697748.7kj2.2.3 第二次煮沸前混合醪升温到70的耗热量q3按糖化工

17、艺，来自糊化锅的煮沸的醪与糖化锅中的麦醪混合后 温度应为63，所以混合前米醪应先从100冷却到中间温度t01.糖化锅中麦醪的初温t麦醪 已知，麦芽粉初温为18，用50热水配料，则麦醪温度t麦醪（g麦芽c麦芽18g2cw50）/g麦醪c麦醪 其中，g麦醪3803.413311.917115.3kgc麦醪（g麦芽c麦芽g2cw）/（g麦芽g2） （2845.941.6811383.764.18） 14229.73.63kj/kg.k t麦醪（3803.41.6821813311.94.1850）17115.33.644.95 2.经第一次煮沸后米醪量为 g米醪g米醪v19624.96240.624

18、9384.336kg 进入第二次煮沸的混合醪量 g混合g米醪g麦醪9384.33614229.723614.066 kg3.混合醪比热容 c混合（g麦醪c麦醪g米醪c米醪）/g混合 （38043.613311.93.79）23614.0663.68 kj/kg.k 根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪合并前后的焓不变，则米醪中间温度为：t（g混合c混合t混合-g麦醪c麦醪t麦醪）g米醪c米醪 （28883.13.6863-17115.33.644.95）(11767.83.75)88.13 因为此温度只比煮沸温度低10度多，考虑到米醪由糊化锅到糖化锅的输送过程的热损失，可不必加中间冷却器。

19、综上可得:q3g混合c混合（7063）28883.13.687744028 kj2.2.4 第二次煮沸混合醪的耗热量q4据工艺糖化结束醪温度78，抽取混合醪的温度70，沸的混合醪量g (g混合g)（7870）c混合gc混合（10078）g/g混合26.7%沸醪耗热量为: q426.7%g混合c混合（10070） 26.7%28883.13.6830 851381kj2.二次煮出过程蒸汽带走的热量q4 煮沸时间为10min，蒸发强度为5%，则蒸发水分量为：v226.7%g混合5%106064.26kg 则： q 4iv22257.264.26145059kj 式中，i为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（k

20、j/kg）3.热损失q4 据经验：q415%(q4+q4)4.综上可得：q41.15(q4+q4)1.15(851381145059)149466kj2.2.5 洗糟水耗热量q5设洗糟水平均温度为80，每100kg原料用水450kg，则用水量：g洗594345010026743.5kgq5g洗cw（8018）26743.54942kj2.2.6 麦汁煮沸过程耗热量q61.麦汁升温至沸点耗热量q6由前物料衡算知：100kg混合原料可得741.2kg热麦汁，设过滤完毕麦汁温度70。则进入煮沸锅的麦汁量为：g麦汁5943617.610036704kg此时麦汁比热容为: c麦

21、汁（41601.682+17831.84+59436.44.18）（59436+1783+59437.4）3.27 kj/kg.kq6g麦汁c麦汁（100-70）367043.2730=3600662.4kj2煮沸过程蒸发耗热量q6 煮沸强度10%，时间90min，则蒸发水分为：v33670410%90605505.6 kg 由上可得q6 iv32257.25505.612427240 kj3.热损失q6:q615%(q6+q6)4.综上可得麦汁煮沸总耗热 q615%(q6+q6) 1.15(3600662.4+12427240)2404185.36 kj2.2.7 糖化一次总耗热量q总q总3

22、068468+3697748.7+744028+1145906+6930845+18432087.8 34019083.3kj2.2.8 糖化一次耗用蒸汽量d 使用表压为0.2mpa的饱和蒸汽i2196.78kj/kg dq总/(-)14896 kgi为相应冷凝水的焓503.67kj/kg（化工工艺设计手册上2-297）为蒸汽的热效率，取95%2.2.9 糖化过程每小时最大蒸汽量qmax在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量q6最大，且知煮沸时间为90min，热效率95%，故qmaxq6/(90/60)95%12934798.46kj/h相应的最大蒸汽耗热量为:dmaxqmax(-)=5962 k

23、g/h2.2.10 蒸汽单耗据设计，每年糖化次数为1020次，共生产啤酒49276.2吨每年耗蒸汽总量为 :dt148961020/70%21705600kg每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）:d0841000427.6kg/t啤酒每天耗蒸汽量（按生产旺季计算）:dg/d综上可得，10万吨/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表：名称规格mpa每吨产品消耗定额kg每小时最大用量kg/h每天耗量kg/d年耗kg/a蒸汽0.3427.659628937621705600表33全厂糖化车间热量衡算2.3 耗水量的计算2.3.1 糖化用水100kg混合原料糖化大约需

24、用水量1:3.5，糊化1:4.5。糖化用水量3803.435010013311.9kg护花用水量 =2139.64.5=9628.2糖化用水时间设为0.5小时。2.3.2 洗糟用水量100kg混合原料约用洗糟水450kg，则需水量为：594345010026743.5kg用水时间为1.5小时。则每小时洗糟最大用水量为:26743.51.517829kg/h2.3.3 糖化室洗刷用水量一般糖化室及设备每糖化一次洗刷用水约20用水时间约2h故：洗刷最大用水量为20210t/h2.3.4 沉淀槽冷却用水量gq/c(t2t1) (冷却时间为0.5小时)热麦汁放出热量 qgpcp(t1t2)热麦汁比重

25、c1.04热麦汁量 gp32972.61.0434291.5/h热麦汁比热 cp0.98kcal/kg.热麦汁温度 t1100 t255冷麦汁温度 t118 t245冷却水比热 c1q34291.50.98(10055)1512255.15kcal/hg1512255.151(4518)40830889.05kg2.3.5沉淀糟洗刷用水每次洗刷用水2吨.冲洗时间设为0.25h，则每天最大用水用水量为 20.25 =8 t/h2.3.6 麦汁冷却器冷却用水麦汁冷却时间为1小时 麦汁温度： 946 冷冻水温度：285耗用冷冻水量为 :m1100460.83/h2.3.7 麦汁冷却器冲刷用水冲刷一次

26、,用水2t用水时间为0.25h,则每次最大用水量为 :20.25 8吨/h2.3.8 酵母洗涤用水(无菌水)在计工艺耗冷量时得无菌水 2281.1kg/班 每天有3班用无菌水,冷却操作1h内完成 则 无菌水耗用量为8.23t/h2.3.9 发酵室洗刷用水每天洗刷二个发酵室,每个用水1t洗刷地面共用1吨 .每天用水2113 吨设时间0.75h 最大用水量 : 30.754t/h2.3.10 贮酒室洗刷用水每天冲刷贮酒桶一个，用水为1吨，管路及地面冲刷用水为0.5t，冲刷时间为0.5小时。最大用水量为:(10.5) 0.53t/h2.3.11 清酒罐洗刷用水每天用4桶,冲洗一次.共用水4t, 时间

27、40分钟，则最大用水量 460/406t/h2.3.12 过滤机用水过滤机两台,每台冲刷一次,用水1.5t(包括顶酒用水)使用时间0.75h, 则最大用水量: 21.50.754 t/h2.3.13 洗瓶机用水按设备规范表，洗瓶机最大生产能力为1500瓶/时，冲洗每个瓶需水0.75l。则用水量为 :15000.754500l/h每班生产7小时计,总耗水量 :4500731500l2.3.14 装酒机用水 每冲洗一次用水1.25t,每班冲洗一次,每间次0.25h最大用水量 : 1.250.255 t/h2.3.15 杀菌机用水杀菌机每瓶耗水量1l用水量为:150011500l/h 1500710

28、500l/班2.3.16其它用水包括冲洗地板,管道冲刷.洗滤布.每班需用水5吨,用水时间1h则：每小时用水量 :515t/h。 第三章 重点设备的设计选型煮沸工艺:麦汁的煮沸时间对啤酒的质量影响很大，在常压下煮沸，淡色啤酒(10%-12%)的煮沸时间一般在90-120分钟，浓色啤酒可适当延长一些。在加压0.11-0.12 mpa条件下煮沸，时间可缩短一半左右。合理的延长煮沸时间，对蛋白质的凝固、提高酒花利用率和还原物质的形成是有利的，对泡沫性能不利。过分的延长煮沸时间，不仅经济上不合理，麦汁质量也会下降。例如:麦汁色泽深、口味粗糙、苦味减轻、泡沫不佳等，对淡色啤酒来说影响更严重一些。因此合理的

29、煮沸时间是很重要的。本次煮沸工艺是按照常用煮沸方法设定78麦汁打入煮沸锅进行煮沸。在麦汁淹没内加热器加热区后往内加热器壳程中通入0.5 mpa 155的饱和蒸汽，麦汁由92加热到104并维持一段时间。其整个煮沸过程如下:在煮沸锅内麦汁从78升至100约22m in内;100预煮沸l0min左右;煮沸温度从100升至102-104 约10-15min内;在压力o.03mpa,温度102-104下煮沸35min左右;蒸汽在15min内卸压麦汁降至100;在100 后煮沸iomin.采用圆筒球底内加热式煮沸锅3.1 容积 进入煮沸锅的麦汁量=3803.4l v有效=34.23m3 取充满系数为0.7

30、, 所以v锅=48.9m33.2 尺寸 v有效3803.4100090085034.23m3 v总26.51.2548.9m3 r=0.8d, h1=1/2d h2=0.18d 又v有效34.23d4.53m 圆整取 d4600mm r=3.624m,h1=2.3m,h2=1.15m3.3 排气管：排气管的截面积与锅底面积 /=(1/30-1/50) 取1/40 d-排气管直径 /=1/40 d-煮沸锅直径 d=0.727m 取整d=730mm，取11010mm 复核/=0.3mm故最后取：sn=6mm复核水压实验其中：t 圆筒壁在试验压力下的计算应力，mpa；试验压力，mpa；圆筒有效壁厚，

31、mm；圆筒内径，mm；圆筒焊接接头系数；圆筒材料在试验温度下的屈服点，mpa；又= 1.250.149=0.186mpa（其中t200，p=0.149mpa(mm)=345mpa（化工设备机械基础附表9-1）0.9s=0.90.8345 = 248.4=0.149(6800+ 4.7)24.7=107.8,故se=18mm合适，可以采用sn=20mm厚的不锈钢板制造锅底。3.9.4 夹套壁厚选用16mnr，b =510mpa，s = 345mpa，= 1，c2 = 1 mmpc = 1.1p=1.10.3=0.33安全系数：nb =3 , ns = 1.6t =b / nb = 510/ 3

32、= 170mpa许用应力t = 170mpa ，夹层与筒体间距取100mmd夹i =4600+ 200 =4800(mm)壁厚计算s=pcd夹i(2tpc)=0.334800(21701 0.33)= 4。6(mm) 查得=0.6 sn=s+c=4.6+0.6+1=6.2(mm)圆整后取厚度7mm 则有效壁厚se= snc=70.61=5.4(mm) 水压力实验强度 pt =1.25pt =1.250.33 = 0.4125 t =pt(di+se)2se= 1.250.33(7000+5.4)（5.42）= 195.3mpa0.9s =0.91235 = 211.5(mpa) t0.9s 水压实验强度足够，符合要求3.9.5 锅体重量计算圆柱形锅体的体积：v1 =dih =3.143.61.80.006=0.122 m3锅底的体积：v2=s内=0.53.143.63.60.005 =0.102 m3锥形顶盖的体积：v3=0.5d+0.363.14=16.50.006=0.099 g=(v1+v2+v3)=(0.122+0.102+0.099)7800=2519.4()3.10 电动机功率计算（1）雷诺准数：式中：d1搅拌桨叶直径，m，d1/d=0.350.8取d1=2.5（m） n搅拌器转速，r/s，取n=30r/min=0.5r